Il mistero dei geni mancanti del vischio
Le tradizioni natalizie che risalgono a secoli fa hanno collegato il romanticismo invernale ai rametti decorativi di vischio. Il modo in cui le foglie sempreverdi arrotondate e le bacche bianche della pianta abbracciano strettamente i rami degli alberi su cui cresce probabilmente ha ispirato quell'associazione. La verità su questa intimità botanica è meno romantica: il vischio è una specie di parassita. Le sue foglie producono zuccheri per fotosintesi, ma al posto delle radici ha strutture che perforano i tessuti vitali dell'albero ospite per aspirare nutrienti e acqua.
Ma questa interdipendenza va ancora più in profondità e gli scienziati stanno appena iniziando a rendersi conto dei modi in cui i vischi sono unici a livello molecolare a causa di essi. Le cellule di tutti gli organismi multicellulari si affidano agli organelli chiamati mitocondri per produrre il loro combustibile biochimico, cioè tutti gli organismi multicellulari tranne il vischio. Non solo i loro mitocondri producono poco o nulla di questo carburante, ma hanno perso molti dei geni necessari per produrlo. Nei pochi anni trascorsi da quando i botanici hanno scoperto questa anomalia, gli scienziati di tutto il mondo hanno provato con successo limitato a capire come i vischi riescano a realizzare questo trucco.
Le centrali elettriche cellulari vanno offline
Il primo indizio che i vischi fossero veramente sui generis è stato presentato nel 2015 alla Conferenza internazionale per la biologia mitocondriale delle piante a Wrocław, in Polonia, da Elizabeth Skippington , allora borsista post-dottorato nel laboratorio di Jeffrey Palmer presso l'Indiana University. Ha stupito il piccolo pubblico scientifico con prove successivamente pubblicate negli Atti della National Academy of Sciences che una specie di vischio ( Viscum scurruloideum ) aveva un genoma mitocondriale estremamente piccolo e mancava di proteine chiave ritenute necessarie per la respirazione – il percorso chimico che consente ai mitocondri di farlo. producono adenosina trifosfato (ATP), il combustibile molecolare delle cellule.
"Sembrava che tutti stessero trattenendo il fiato", ha detto Jennifer Senkler , biochimica delle piante presso l'Università di Leibniz in Germania, che ha assistito al discorso. "Nella pausa successiva, tutti ne parlavano entusiasti e speculavano su come avrebbe potuto funzionare".
Si chiedevano se forse a Skippington mancassero i geni perché erano diventati irriconoscibili o se ci fosse qualche errore nei suoi metodi. O forse i geni si erano spostati nel genoma nucleare – è qualcosa che può accadere con i geni mitocondriali, dopotutto, e gli enormi genomi dei vischi (circa 24 volte più grandi del nostro) hanno finora ostacolato il sequenziamento dell'intero genoma. Tutti erano ansiosi di risolvere il mistero dei geni mancanti.
"Abbiamo iniziato a scherzare sui ricercatori che cadevano dagli alberi nel tentativo di mettere le mani sulle piante di vischio", ha scritto Senkler in una e-mail a Quanta. Infatti, non appena lei ei suoi colleghi sono tornati in Germania, "abbiamo comprato un troncarami lungo e abbiamo iniziato a collezionare vischi".
Non erano gli unici. Non lontano dal laboratorio di Senkler ad Hannover, presso il Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology a Potsdam-Golm, il biochimico Etienne Meyer ha iniziato alcune sue indagini. E al John Innes Centre di Norwich, in Inghilterra, anche Janneke Balk decise di scavare nei mitocondri del vischio. Il team di Balk ha presto contattato Meyer ei due laboratori hanno unito le forze, anche se hanno continuato a eseguire i loro esperimenti in parallelo per la maggior parte per garantire che i risultati fossero replicati. "Questo è ciò che rende la storia ancora più solida", ha detto Meyer.
Alla fine, tutti e tre i team di ricerca sono giunti alla stessa conclusione : i mitocondri del vischio non eseguono lo stesso processo di generazione di ATP dei mitocondri di tutte le altre piante, funghi e animali. I geni di cui parlava Skippington sono veramente spariti, non mutati o riposizionati. E ancora, nessuno sa come sopravvivano i vischi senza di loro.
Avari metabolici
In tutte le altre forme di vita multicellulari studiate fino ad oggi – e nella maggior parte degli eucarioti unicellulari, del resto – i mitocondri producono ATP in un processo in cinque fasi. Ogni passaggio viene eseguito da una suite separata di proteine, complessi IV. "E uno di questi, il primissimo complesso, manca totalmente nei vischi", ha detto Gitte Petersen , botanica dell'Università di Stoccolma in Svezia.
Formatosi come sistemista delle piante, Petersen in un primo momento pensò che forse questa perdita di complesso potevo essere comune. Ma quando lei ei suoi colleghi hanno controllato altri nove gruppi di piante parassitarie , il resto era normale. Qualcosa di speciale apparentemente è successo solo nei vischi.
Per quanto riguarda il modo in cui i vischi compensano la perdita di questi geni incredibilmente importanti, "possiamo solo speculare", ha detto Meyer.
Gli esperimenti mostrano che i vischi producono un po 'di ATP; non è chiaro se i loro mitocondri abbiano un ruolo importante in questo. La collaborazione di Meyer e Balk ha scoperto che le piante producono più proteine da utilizzare nella glicolisi , un metodo inefficiente per scindere gli zuccheri per produrre ATP che si trova in tutte le cellule. Tuttavia, gli scienziati non sono riusciti a determinare esattamente quanto ATP le piante generano in quel modo.
Tuttavia, aumentare la glicolisi abbastanza da competere con la normale produzione di ATP dei mitocondri richiederebbe molto più zucchero. L'intuizione di Meyer è che i vischi rubino lo zucchero al loro ospite, insieme all'acqua e ai minerali. Potrebbero persino fotosintetizzare più febbrilmente di altre piante per produrre zuccheri extra da bruciare, sebbene Meyer etichetti questa idea come "estremamente ipotetica".
I vischi possono anche usare l'energia con l'avarizia di Paperone. Sia Senkler che Petersen hanno sottolineato che uno stile di vita parassitario e una crescita lenta potrebbero consentire ai vischi di sopravvivere con basse quantità di ATP. In effetti, "il vischio potrebbe insegnarci una lezione su come sopravvivere in condizioni di limitazione energetica", ha detto Senkler.
Troppo complesso da mantenere?
Per quanto i vischi riescano a cavarsela con i loro mitocondri carenti, la grande domanda senza risposta è perché queste piante hanno eliminato qualcosa di così apparentemente utile.
Il sospetto di Senkler è che quel complesso fosse troppo gravoso da mantenere. Consiste di circa 50 proteine che devono essere prodotte in diversi sottocompartimenti della cellula, assemblate e inserite nella membrana interna dei mitocondri. Il costo energetico di tutto ciò è considerevole, anche se significa più energia a lungo termine, e "i vischi sembrano evitare processi che richiedono molta energia", ha detto.
L'abbandono dei tratti costosi dal punto di vista energetico, o "evoluzione riduttiva", è un tema comune nei parassiti, ha osservato Meyer. E perdere questa particolare suite di proteine potrebbe avere ulteriori vantaggi. Poiché complesso vomita molecole altamente reattive che possono causare danni cellulari, perderlo potrebbe rendere le piante più resistenti allo stress. Perdite geniche mitocondriali simili sono spesso osservate nelle cellule tumorali, motivo per cui le cellule maligne possono spesso sopravvivere a condizioni che altre cellule non avrebbero.
Ma Petersen non è affatto convinto che la perdita sia vantaggiosa. Potrebbe essere che qualcosa come una mutazione catastrofica abbia colpito i vischi all'inizio dell'evoluzione del loro gruppo, qualcosa che ha accidentalmente cancellato la loro capacità di rendere complesso I. "E poi il vischio è riuscito a far fronte a quello che è successo", ha detto, forse perché il vischio è parassita lo stile di vita offriva modi per compensare. È curiosa di sapere se un ulteriore sequenziamento genetico potrebbe consentire ai ricercatori di scoprire quando si è verificata la perdita e se le piante erano già parassite.
Se si scopre che la perdita di complesso delle piante è stata una sfortuna casuale, allora forse i vischi sono proprio come tutti noi: stanno facendo tutto il necessario per sopravvivere alle vacanze.
Questa è la traduzione automatica di un articolo pubblicato su Quanta Magazine all’URL https://www.quantamagazine.org/the-mystery-of-mistletoes-missing-genes-20201221/ in data Mon, 21 Dec 2020 15:14:31 +0000.